Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Experiment im All soll Äquivalenzprinzip mit bisher unerreichter Genauigkeit testen

09.05.2016

Französische Forscher stellen das Fallgesetz auf den Prüfstand − die PTB liefert dazu hochpräzise Testmassen

Haben sich Galilei, Newton und Einstein getäuscht? Zumindest ein kleinwenig? Dank ihnen wissen wir heute, dass schwere und träge Masse gleich sind. Im Vakuum fallen daher alle Gegenstände gleich schnell zu Boden, egal wie schwer sie sind. Diese 400 Jahre alte Entdeckung hält bisher jeder Überprüfung stand.


Mithilfe zweier in der PTB gefertigter Zylinder soll an Bord eines Satelliten überprüft werden, ob sich schwere und träge Masse unterscheiden.

PTB

Wissenschaftler bestätigen das sogenannte Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von 10-13, also bis auf ein Zehnbillionstel genau. Doch moderne physikalische Theorien, wie die String-Theorie, gehen davon aus, dass ganz weit hinter dem Komma der Beweis dafür warten könnte, dass sich träge und schwere Masse unterscheiden.

Französische Forscher wollen das Prinzip nun erneut auf die Probe stellen – mit tatkräftiger Unterstützung durch den Fachbereich „Wissenschaftlicher Gerätebau“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Dort entstanden zwei mikrometergenau hergestellte Hohlzylinderpaare, die seit dem 25. April 2016 im Rahmen des MICROSCOPE-Projektes in einem Satelliten um die Erde kreisen. Das Fallgesetz soll damit mit bisher unerreichter Genauigkeit getestet werden.

Hält man einen Gegenstand in der Hand, spürt man, wie dieser nach unten drückt. Die Erdanziehungskraft zieht ihn zum Boden. Öffnet man die Hand, fällt er – dafür sorgt die sogenannte schwere Masse. Würden wir gemeinsam mit dem Gegenstand fallen, würden wir die Schwerkraft nicht mehr spüren. Dabei wirkt sie immer noch. Allerdings wird sie durch eine entgegengesetzt wirkende Kraft aufgehoben: die Trägheitskraft. Diese widersetzt sich der Beschleunigung. Warum sich schwere und träge Masse gegenseitig genau aufheben, ist noch immer ein Rätsel.

Einige Forscher glauben daher, dass das Fallgesetz nicht stimmen kann. Die String-Theorie sagt beim Äquivalenzprinzip eine Unsicherheit im Bereich von 10-14 bis 10-17 voraus. Durch das MICROSCOPE-Projekt könnte die Physik in diese Bereiche vorstoßen. Es soll eine Messgenauigkeit von bis zu 10-15 ermöglichen. Das wäre auf der Erde nicht messbar.

Denn dort lässt sich der freie Fall im luftleeren Raum nicht lange genug simulieren. Anders sieht es im Weltraum aus: An Bord eines Satelliten „fallen“ die Zylinder (Testmassen) in den kommenden zwei Jahren auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in etwa 700 Kilometer Höhe um die Erde. Dabei wird sich zeigen, ob eine der Testmassen eine andere Beschleunigung erfährt.

Damit das gelingen kann, müssen die Testobjekte die gleiche Form haben. „Wir haben zwei ineinander gelagerte Zylinder gewählt, da diese den gleichen Schwerpunkt haben“, erklärt Dr. Daniel Hagedorn, Leiter der Arbeitsgruppe für Oberflächentechnologie in der PTB. Beim ersten Zylinderpaar bestehen die Massen aus dem gleichen Material: Platin-Rhodium (PtRh10). Beim zweiten Zylinderpaar besteht der äußere Zylinder aus einer Titan-Legierung (TiAl6V4), einem aus dem Flugzeugbau bekannten Material. Der innere Zylinder besteht wie das erste Zylinderpaar aus Platin-Rhodium.

„Wenn wir einen Unterschied in der Beschleunigung sehen, dann bei dem uneinheitlichen Zylinderpaar“, sagt Hagedorn. Gemessen würde dann die Verschiebung des Schwerpunkts der Zylinder. Das einheitliche Paar dient zur Kontrolle. Sollten beide etwas anzeigen, liegt es an den Instrumenten. Damit das Experiment gelingt, müssen die Testmassen immer gleich im Raum ausgerichtet sein. Für die richtige Bahn und den richtigen Winkel sorgt der Satellit. Elektrostatische Kraftfelder stützen die Zylinder.

Die Zylinder exakt gleich anzufertigen, war die größte Herausforderung für die Braunschweiger Gerätebauer. Mehr als fünf Jahre haben sie daran gemessen und gearbeitet. „Das war ein wahnsinnig komplexer Prozess“, sagt Hagedorn. Um die Oberflächen zu perfektionieren, mussten die Drehgeschwindigkeit, die Menge des Kühlschmiermittels, die Art und Form des Diamanten zum Schneiden, der Verschleiß der Werkzeuge und vieles mehr erst einmal erprobt werden. Denn an die benötigte Genauigkeit von weniger als drei Mikrometer hat sich bisher noch niemand herangetraut.

„Wir waren mutig genug, das zu probieren“, sagt Hagedorn. Mit Erfolg: Bei der Form gelang eine Genauigkeit von etwa einem Mikrometer. Die durchschnittliche Rauheit der Oberfläche liegt im Bereich von wenigen zehn Nanometern.

Finanziert wird dieses Unterfangen zu 90 Prozent von der französischen Raumfahrtagentur CNES. Für die Forschung sind die Einrichtungen ONERA (Office national d’études et de recherches aérospatiales) und OCA (Observatoire de la Côte d’Azur) verantwortlich. Neben der PTB unterstützt auch das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen das Projekt. Dort wurde getestet, ob die Zylinder für das Experiment in der Schwerelosigkeit geeignet sind.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligte sich dabei an der Finanzierung. Zwei Jahre werden die Testmassen im Orbit kreisen – und dabei die Erde mehr als 1000 Mal umrunden. Ob die dabei entstehenden Daten das Verständnis von Raum und Zeit durcheinander bringen, bleibt abzuwarten. ms/ptb

Ansprechpartner in der PTB
Dr. Daniel Hagedorn, PTB-Arbeitsgruppenleiter 5.54 Oberflächentechnologie, Telefon: (0531) 592-5540, E-Mail: daniel.hagedorn@ptb.de

Weitere Informationen
• MICROSCOPE-Projekt https://microscope.cnes.fr/en/MICROSCOPE/index.htm
• Pressefotos zum Download http://cnes.photonpro.net/cnes/categories/654

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinf...

Michael Schnatz | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden
19.10.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Gravitationswellen: Sternenglanz für Jenaer Forscher
19.10.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie